從太陽獲取更多的能量如何制造更好的太陽能電池

Tara P. Dhakal

隨著發(fā)展中國家的工業(yè)化，全球?qū)τ谀茉吹男枨笳龑?shí)時(shí)增長(zhǎng)。專家們估計(jì)，到2050年，全球電力需求可能達(dá)到30太瓦。

太陽能是無限的——在任意瞬間，太陽提供的能量約為120000太瓦，而這些能量都是免費(fèi)的。但今天，太陽能僅提供了全球所用電能的百分之一。其中，最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何以低成本將光能轉(zhuǎn)換成可用的電能。

為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，我們需要找到能夠吸收陽光并能夠有效地將陽光轉(zhuǎn)換成電能的材料。此外，我們希望這些材料豐富，環(huán)境友好，并且對(duì)于制造太陽能設(shè)備而言具有良好的成本效益。

目前，來自全世界的研究人員正致力于開發(fā)有效和可行的太陽能電池技術(shù)。其目標(biāo)是，將太陽能電力的安裝成本從今天的每瓦特3美元降低到每瓦特1美元。

在賓漢姆頓大學(xué)的自主太陽能中心（CASP），我們研究了如何使用自然中豐富并無毒的材料來制造薄膜太陽能電池。我們希望開發(fā)出制造成本低廉的、能夠可靠并高效地將陽光轉(zhuǎn)換成電能的太陽能電池。

我們已經(jīng)確認(rèn)了具有較大潛能作為太陽能吸收器的兩種材料：黃鐵礦，由于其金屬光澤其也被稱為“愚人金”；以及，銅-鋅-錫-硫（CZTS）。

尋找理想的材料

今天的商業(yè)太陽能電池由三種材料：硅、碲化鎘（CdTe），以及銅-銦-鎵-硒（CIGS）中之一制成。這三者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

硅太陽能電池具有高效率，能夠?qū)⒙湓陔姵厣系?5%的太陽光轉(zhuǎn)換成電能，并且非常耐用。然而，將硅處理成晶片十分昂貴，并且這些晶片必須非常厚（約0.3毫米，這對(duì)于太陽能電池而言很厚）才能吸收落在其上的太陽光，這將導(dǎo)致成本進(jìn)一步地增加。

硅太陽能電池—通常被稱作第一代太陽能電池——在屋頂上作為熟悉的景色而被人們所使用。我們中心正在研發(fā)另一種類型的太陽能電池，其被稱為薄膜太陽能電池，這是下一代太陽能技術(shù)。正如其名字所暗示地，薄膜太陽能電池是通過將太陽能吸收材料的薄膜布置在通常為柔性的基底（例如玻璃或塑料），上而制成。這些太陽能電池使用更少的材料，因此，它們比由硅制成的晶體太陽能電池便宜。因?yàn)椴荒茉谌嵝曰咨贤扛簿w硅，因此我們需要不同的材料來作為太陽能吸收器。

盡管薄膜太陽能技術(shù)得以迅速發(fā)展，但是今天某些薄膜太陽能電池的材料仍然是稀少和有害的。例如，碲化鎘中的鎘對(duì)于任何生物而言都是劇毒，并已知其能夠?qū)е氯祟惏┌Y。碲化鎘在高溫條件下會(huì)分解成鎘和碲，因此將存在嚴(yán)重的吸入風(fēng)險(xiǎn)。

因?yàn)辄S鐵礦和CZTS無毒且相當(dāng)便宜，因此我們正嘗試使用黃鐵礦。黃鐵礦在地殼之間含量豐富，并能夠有效地吸收太陽光的可見光譜。這些膜的厚度可以是一毫米的1/1000。

制造太陽能電池，需要將這些材料結(jié)晶，可通過加熱來完成結(jié)晶過程。與硅的1200攝氏度或更高的結(jié)晶溫度相比，在600攝氏度以下就可將CZTS結(jié)晶，這將使得處理過程更加便宜。其性能與目前市售的高效銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池類似，卻以更便宜和更豐富的鋅和錫替代這些電池中的銦和鎵。

然而，目前，CZTS太陽能電池的效率還較低。與更貴的CIGS太陽能電池的20%的轉(zhuǎn)換效率相比，其僅能將落在其上的太陽光的13%轉(zhuǎn)換成電力。

CZTS太陽能電池具有達(dá)到30%效率的潛力。目前主要的挑戰(zhàn)有：（1）合成不含任何雜質(zhì)痕跡的高質(zhì)量的CZTS薄膜；（2）發(fā)現(xiàn)適合作為幫助收集陽光在吸收層產(chǎn)生的電子的“緩沖層”的材料。

實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)生產(chǎn)出具有7%效率CZTS薄膜，而人們希望通過合成高品質(zhì)的CZTS層并找到合適的緩沖層，來盡快接近15%的效率。

黃鐵礦是能夠在非常低的溫度下就進(jìn)行結(jié)晶的潛在吸收器。實(shí)驗(yàn)室合成了黃鐵礦薄膜，并正在努力將薄膜堆成太陽能電池。該過程十分具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楫?dāng)黃鐵礦暴露在濕熱環(huán)境中時(shí)，其很容易分解?？茖W(xué)家們正在研究如何在不影響其太陽能吸收性能和機(jī)械性能的情況下使其更加穩(wěn)定。

在最近的一項(xiàng)研究中，美國斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員估計(jì)，在2050年，太陽能發(fā)電可以提供高達(dá)美國電力的45%，為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要不斷降低太陽能發(fā)電的成本，并設(shè)法使太陽能電池更具可持續(xù)性。豐富的，無毒材料是實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的關(guān)鍵。

甘政濤，博士研究生

（中國科學(xué)院力學(xué)研究所）

Gan Zhengtao， Doctoral Candate

（Institute of Mechanics，CAS）Sean-moran

Wildfires，Water and

Wildlife

May 13， 2016

http：//sci.keycane.com/2016/05/14/

wildfires-water-and-wildlife/